חלק א’: הדוגמה המרכזית של הגנטיקה
הגנום האנושי
- 95% מהגנום האנושי - רצפים לא מקודדים שתפקידם עדיין לא ברור לחלוטין
- כ-1% - מהגנים מקודדים חלבונים
- כמה אחוזים - אזורי בקרה שאנחנו קצת יותר מבינים
הדוגמה המרכזית (Central Dogma of Genetics)
הרעיון המרכזי שעליו בנויה היכולת של החיים על כדור הארץ:
\[\text{DNA} \xrightarrow{\text{Transcription}} \text{RNA} \xrightarrow{\text{Translation}} \text{Protein}\]- DNA צריך לעבור רפליקציה מדור לדור
- DNA עובר תעתוק (Transcription) ל-RNA
- RNA (השליח) מביא את המסר מהגרעין לציטופלזמה
- תרגום (Translation) של RNA לחלבון בריבוזומים
חלק ב’: רפליקציה של DNA (DNA Replication)
עקרונות יסוד
- מתרחשת בשלב $\text{S}$ של מחזור התא
- חייבת להיות מדויקת ביותר - טעויות יכולות לגרום:
- בתאים סומטיים: סרטן
- בתאי נבט (גמטות): מחלות גנטיות שעוברות לדור הבא
תהליך הרפליקציה
שלב ההתחלה (Initiation)
- Origin of Replication - נקודות התחלה באמצע הכרומוזומים (לא בקצוות)
- באיקריוטים: אין רצף קבוע, תלוי בקונטקסט
- אזורים עשירים ב-A-T (קל יותר לפתוח - 2 קשרי מימן בלבד)
- חלבונים מעורבים:
- Helicase - פותח את הסליל הכפול
- Gyrase/Topoisomerase - מונע התקשרויות וסיבובים לא רצויים
- SSB (Single Strand Binding proteins) - מחזיקים את הגדילים פתוחים
שלב ההתארכות (Elongation)
DNA Polymerase יכול לעבוד רק בכיוון 5’→3’, לכן:
- גדיל מוביל (Leading Strand)
- סינתזה רציפה בכיוון 5’→3’
- Primer אחד בהתחלה
- DNA Polymerase III מסנתז ברציפות
- גדיל מפגר (Lagging Strand)
- סינתזה לא רציפה במקטעים
- מקטעי אוקזאקי (Okazaki Fragments) - קטעים קצרים
- Primase מוסיף primers רבים
- DNA Polymerase III מסנתז כל מקטע
- DNA Polymerase I מסיר primers וממלא פערים
- Ligase מחבר בין המקטעים
בעיית הטלומרים
- בקצוות הכרומוזומים יש בעיה - אין איפה לשים primer
- טלומרים - רצפים חוזרים בקצוות
- טלומראז (Telomerase) - מאריך טלומרים
- קיצור טלומרים קשור להזדקנות
בקרת איכות ברפליקציה
- שכיחות טעות: $1$ ל-$10^7$ נוקלאוטידים
- מנגנוני תיקון:
- Proofreading על ידי DNA Polymerase
- DNA Repair mechanisms
- Checkpoints בסוף שלב S ולפני מיטוזה
- אם יש טעויות שלא ניתנות לתיקון ← אפופטוזיס
חלק ג’: תעתוק (Transcription)
הבדלים בין DNA ל-RNA
- RNA: חד-גדילי (Single-stranded)
- סוכר: ריבוז במקום דאוקסיריבוז
- בסיס: אורציל ($\ce{U}$) במקום תימין ($\ce{T}$)
- יכול לקבל מבנים מורכבים (loops, hairpins)
סוגי RNA
- mRNA (Messenger RNA) - נושא המידע לסינתזת חלבונים
- rRNA (Ribosomal RNA) - מרכיב מבני בריבוזומים
- tRNA (Transfer RNA) - מעביר חומצות אמינו בתרגום
- Non-coding RNA - כולל microRNA, lncRNA ועוד - תפקידי בקרה
תהליך התעתוק
התחלה (Initiation)
- Promoter - אזור בקרה לפני הגן
- TATA Box - רצף TATAAA כ-25 בסיסים לפני תחילת התעתוק
- גורמי תעתוק (Transcription Factors)
- מזהים ונקשרים ל-promoter
- קוראים ל-RNA Polymerase
- אזורי בקרה נוספים:
- Enhancers - מגבירי ביטוי (יכולים להיות רחוקים)
- Silencers - משתיקי ביטוי
דוגמאות לבקרת תעתוק
-
ויטמין D כ-Transcription Factor:
- נקשר לרצפטור VDR (Vitamin D Receptor)
- הקומפלקס נכנס לגרעין
- נקשר לאזורים ספציפיים ב-DNA
- מפעיל גנים של ספיגת סידן
-
Lac Operon בחיידקים:
- ללא לקטוז: repressor חוסם את RNA polymerase
- עם לקטוז: repressor משתחרר, מתרחש תעתוק של אנזימי פירוק לקטוז
עיבוד RNA (RNA Processing)
שחבור (Splicing)
- הסרת אינטרונים (רצפים לא מקודדים)
- חיבור אקסונים (רצפים מקודדים)
- מוטציות באתרי שחבור יכולות לגרום למחלות
הוספות לקצוות
5' Cap- הגנה ויציבות3' Poly-A Tail- יציבות ותרגום
חלק ד’: תרגום (Translation)
הקוד הגנטי
- 64 קודונים (טריפלטים של 3 בסיסים)
- 20 חומצות אמינו
- קודון התחלה: AUG (מקודד למתיונין)
- קודוני סיום: UAA, UAG, UGA
- הקוד הוא מנוון (degenerate) - יותר מקודון אחד לחומצת אמינו
תהליך התרגום בריבוזום
מבנה הריבוזום
- שתי תת-יחידות (גדולה וקטנה)
- 3 אתרים:
- אתר A (Aminoacyl) - כניסת tRNA טעון
- אתר P (Peptidyl) - יצירת קשר פפטידי
- אתר E (Exit) - יציאת tRNA ריק
שלבי התרגום
- mRNA נכנס לריבוזום
- סריקה עד מציאת AUG
- tRNA עם מתיונין נקשר
- התקדמות קודון-קודון
- בקודון סיום - שחרור השרשרת
חלק ה’: יסודות הגנטיקה - חוקי מנדל
חוק ההפרדה השווה (Law of Equal Segregation)
- כל הורה תורם אלל אחד באופן אקראי
- נכון בכל המקרים
חוק הדומיננטיות (Law of Dominance)
- יש אללים דומיננטיים ורצסיביים
- נכון בחלק מהמקרים (לא תמיד)
חוק המבחר הבלתי תלוי (Independent Assortment)
לפי מנדל, כל תכונה עוברת בלי קשר לתכונה אחרת. כל גן עובר באופן רנדומאלי בלי קשר לגן לידו. זה לא מדויק כלל.
- לא נכון לגמרי - גנים על אותו כרומוזום עוברים ביחד
- Linkage - גנים קרובים על אותו כרומוזום
- Crossing Over במיוזה יוצר שונות נוספת. נותן
גנים שרחוקים מאוד לא בהכרח יעברו. זה תלוי במרחק הגנטי (לא תמיד פיזי) - linked vs unlinked.
חלק ו’: מחלות גנטיות אוטוזומליות רצסיביות
עקרונות כלליים
- צריך 2 אללים פגומים להופעת המחלה
- נשאים (הטרוזיגוטים) בדרך כלל בריאים
- שכיחות גבוהה יותר בנישואי קרובים
- עץ משפחה אופייני: הורים בריאים, ילדים חולים
דוגמה 1: פנילקטונוריה (PKU)
Enzvmatic defects - not having enough of an enzyme to carry out a metabolic pathway.
פתופיזיולוגיה
- חסר באנזים Phenylalanine Hydroxylase
- פנילאלנין לא מתפרק לטירוזין
- הצטברות פנילאלנין ומטבוליטים רעילים
תסמינים
- פיגור שכלי (אם לא מטופל)
- עור בהיר (חסר מלנין)
- שיער בהיר
- עיניים בהירות
- פזילה
- היפרטוניות
- מיקרוצפליה
- ריח ״עובשי״ אופייני
טיפול
- דיאטה דלת פנילאלנין מלידה
- פורמולה מיוחדת עם חומצות אמינו (ללא פנילאלנין)
- הגבלה חמורה של חלבונים
- צריך כמות מינימלית של פנילאלנין (חומצת אמינו חיונית)
- המשך דיאטה לכל החיים (במיוחד בהריון)
אבחון
- סקר ילודים (Newborn Screening) - בדיקת דם מהעקב
- מדידת רמות פנילאלנין בדם
דוגמה 2: ציסטיק פיברוזיס (CF)
Channel Defect
גנטיקה
- גן: CFTR (Cystic Fibrosis Transmembrane Regulator)
- מוטציה שכיחה: ΔF508 (חסר של פנילאלנין במיקום 508)
- מעל 2000 מוטציות ידועות
- נשאות: 1:22 באוכלוסייה הכללית
פתופיזיולוגיה - סוגי מוטציות
- Class I-II: החלבון לא מגיע לממברנה
- Class III: החלבון מגיע אך לא נפתח
- Class IV: תעלה עובדת חלקית
- Class V: כמות מופחתת של חלבון תקין
תסמינים
ריאות:
- הפרשות סמיכות
- דלקות ריאה חוזרות
- ברונכיאקטזיות
לבלב:
- אי-ספיקה אקסוקרינית
- צואה שומנית
- אי-שגשוג
מעיים:
Meconium ileusבילודים (מקוניום סמיך)
מערכת רבייה:
- היעדר
vas deferensדו-צדדי בגברים (אי-פוריות)
טיפולים חדשניים (תלויי מוטציה)
- Potentiators - פותחים תעלות שמגיעות לממברנה
- Correctors - עוזרים לחלבון להתקפל ולהגיע לממברנה
- Amplifiers - מגבירים ייצור החלבון
- אנטיביוטיקה (אמינוגליקוזידים) - עוקפים קודוני עצירה מוקדמים
חלק ז’: מחלות גנטיות אוטוזומליות דומיננטיות
מנגנונים למחלות דומיננטיות
1. Haploinsufficiency
- 50% מכמות החלבון לא מספיקה
- נפוץ בחלבונים מבניים
- דוגמה: Type I של Osteogenesis Imperfecta
2. Dominant Negative
- החלבון הפגום מפריע לחלבון התקין
- נפוץ בחלבונים המתארגנים במבנים מולטימריים
- דוגמה: Type II-III של Osteogenesis Imperfecta
3. Gain of Function
- החלבון רוכש פעילות חדשה או יתר
- דוגמה: אכונדרופלזיה
אוסטאוגנזיס אימפרפקטה (OI - ״מחלת העצמות השבירות״)
גנטיקה
- גנים: COL1A1 ו-COL1A2
- מקודדים לקולגן Type I
- מבנה: Triple helix של 3 שרשראות קולגן
- רצף חוזר: Gly-X-Y (גליצין כל 3 חומצות אמינו)
סיווג וחומרה
Type I (קל) - Haploinsufficiency:
- שברים מתחילים בהליכה
- סקלרות כחולות
- אי-שגשוג קל
- חיים נורמליים יחסית
Type II (קטלני) - Dominant Negative:
- שברים תוך-רחמיים
- בית חזה קטן
- אי-ספיקה נשימתית
- מוות בינקות
Type III (חמור) - Dominant Negative:
- עיוותי עצמות חמורים
- קומה נמוכה מאוד
- שברים מרובים
- נכות קשה
תסמינים נוספים
- סקלרות כחולות - קולגן דליל בלובן העין
- Dentinogenesis Imperfecta - שיניים שבירות
- Wormian bones - עצמות נוספות בגולגולת
- ליקוי שמיעה
אכונדרופלזיה (Achondroplasia)
גנטיקה
- גן: FGFR3 (Fibroblast Growth Factor Receptor 3)
- מנגנון: Gain of Function
- 80% מוטציות De Novo
- Hot Spot - אותה מוטציה (G380R) ב-90% מהמקרים
- קשר לגיל האב המבוגר
פתופיזיולוגיה
- FGFR3 מעכב צמיחת עצם בלוחיות הגדילה
- המוטציה גורמת לעיכוב-יתר
- פגיעה בעיקר בעצמות ארוכות
תסמינים
- קומה נמוכה (גמדות)
- גפיים קצרות לא פרופורציונליות
- ראש גדול עם בליטת מצח
- גשר אף שקוע
- לורדוזיס מותנית
טיפול חדש
- תרופה מאושרת FDA מגיל 0
- פועלת downstream ב-pathway
- מנטרלת את העיכוב המוגבר
Thanatotropic Dysplasia
- מוטציה חמורה יותר ב-FGFR3
- בית חזה קטן מאוד
- אי-ספיקה נשימתית
- קטלני בדרך כלל
Homozygous Achondroplasia
- כאשר שני הורים עם אכונדרופלזיה מביאים ילד
- 25% סיכוי לילד עם 2 אללים פגומים
- פנוטיפ חמור הרבה יותר - בדרך כלל קטלני
Dravet Syndrome
- מחלת אפילפסיה חמורה בילדות
- דומיננטית אך בדרך כלל De Novo
- ילדים חולים בדרך כלל לא מביאים צאצאים
חלק ח’: מחלות עם הרחבת חזרות (Repeat Expansion Disorders)
מאפיינים כלליים
- רצפים חוזרים (בדרך כלל CAG) שמתרחבים
- Anticipation - החמרה מדור לדור:
- יותר חזרות
- גיל הופעה מוקדם יותר
- תסמינים חמורים יותר
מחלת הנטינגטון (Huntington Disease)
גנטיקה
- גן: HTT
- חזרות CAG המקודדות לגלוטמין (polyQ)
מספר חזרות וביטוי קליני
- 10-26: תקין
- 27-35: Pre-mutation (לא יציב)
- 36-40: Reduced penetrance
- >40: מחלה מלאה
פתופיזיולוגיה
- עודף גלוטמינים גורם לקיפול שגוי של החלבון
- הצטברות חלבון במוח
- מוות נוירונים
תסמינים של הנטינגטון
- תנועות כוריאיפורמיות
- דמנציה
- הפרעות פסיכיאטריות
- גיל הופעה: בדרך כלל 50-30 (תלוי במספר חזרות)
Anticipation
- סבא: 45 חזרות, תסמינים בגיל 60
- אב: 55 חזרות, תסמינים בגיל 40
- נכד: 70 חזרות, תסמינים בגיל 20
מחלות Fragile X
- הרחבת CGG ב-FMR1
- גורם לפיגור שכלי
- תורשה תלוית X עם אפקט anticipation
חלק ט’: מושגים חשובים נוספים
מוטציות De Novo
- מוטציות חדשות שלא עוברות בתורשה
- שכיחות גבוהה יותר:
- עם גיל האב המבוגר (תאי זרע מתחלקים כל הזמן)
- ב-Hot Spots (אזורים מועדים למוטציות)
- נפוצות במחלות דומיננטיות חמורות
Penetrance ו-Expressivity
Penetrance (חדירות)
- האם המוטציה תתבטא בכלל
- Complete (100%) או Incomplete (<100%)
Variable Expressivity
- חומרת הביטוי משתנה בין חולים
- אותה מוטציה - ספקטרום של תסמינים
מוזאיציזם (Mosaicism)
Somatic Mosaicism
- המוטציה בחלק מתאי הגוף
- ביטוי קל יותר של המחלה
Germline Mosaicism
- המוטציה בחלק מתאי הנבט
- הורה בריא יכול להביא מספר ילדים חולים
- מסביר ״מוטציות דומיננטיות חוזרות״
חלק י’: חישובי סיכון גנטיים
מחלות רצסיביות
הורים נשאים
- 25% ילד חולה
- 50% ילד נשא
- 25% ילד בריא לא נשא
- הסיכון זהה בכל הריון - ״זורקים את הקובייה מחדש״
חישוב סיכון עם נשאות באוכלוסייה
דוגמה - CF:
- נשאות באוכלוסייה: 1:22
- אם אחד ההורים נשא ידוע:
- סיכון שבן הזוג נשא: 1/22
- סיכון לילד חולה: 1/2 × 1/2 × 1/22 = 1/88
Obligate Carriers
- הורים לילד עם מחלה רצסיבית = נשאים בהכרח
- חריגים נדירים: מוזאיציזם, מוטציה חדשה
חישוב נשאות באחים
לאחים בריאים של חולה במחלה רצסיבית:
- אם לא ידוע שבריאים: 50% סיכוי נשאות
- אם ידוע שבריאים (מחלת ילדות): 2/3 סיכוי נשאות
מחלות דומיננטיות
- הורה חולה: 50% סיכון לכל ילד
- שני הורים חולים: 75% ילד חולה (25% עלול להיות הומוזיגוט - חמור יותר)
חלק י״א: אבחון גנטי
סקר ילודים (Newborn Screening)
- בדיקת דם מהעקב
- מזהה מחלות מטבוליות (PKU, CF ועוד)
- מאפשר טיפול מוקדם
בדיקות טרום־לידתיות (Prenatal Tests)
- מי שפיר
- סיסי שלייה
- בדיקות גנטיות ממוקדות או רחבות
ייעוץ גנטי
- חישוב סיכונים
- הסבר על דפוסי תורשה
- אפשרויות לאבחון טרום-לידתי
- תמיכה פסיכולוגית
נקודות מפתח לזכור
-
DNA Polymerase עובד רק 5’→3’ - קריטי להבנת רפליקציה
-
מחלות רצסיביות - נשאות שכיחה, ביטוי רק בהומוזיגוטים
-
מחלות דומיננטיות - מספיק אלל אחד פגום, לעתים De Novo
-
Anticipation - החמרה מדור לדור במחלות חזרות
-
הסיכון בכל הריון נפרד - לא תלוי בילדים קודמים
-
Hot Spots - אזורים מועדים למוטציות
-
טיפולים ממוקדי מוטציה - עתיד הרפואה הגנטית